VTK技術(shù)在雷達(dá)圖像可視化中的研究與應(yīng)用

摘 要:利用VTK對雷達(dá)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行三維可視化研究，其中研究了表面繪制和體繪制兩種繪制技術(shù):表面繪制用移動立方體法實(shí)現(xiàn)，體繪制用合成光線投影算法實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)高效快捷地顯示了雷達(dá)二維圖像，實(shí)現(xiàn)了雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的空間整體三維重建顯示和x，y，z三維任意切面的雷達(dá)回波強(qiáng)度顯示，并且可以任意方向切割、旋轉(zhuǎn)、放大與平移三維圖像。VTK應(yīng)用于雷達(dá)圖像三維可視化更為直觀和全面的展現(xiàn)了空間回波的分布狀況。

關(guān)鍵詞:VTK;可視化;體繪制;雷達(dá)圖像;光線投影算法

中圖分類號:TP391.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

文章編號:1004-373X(2010)06-122-03

Study and Application in Visualization of Radar Image Based on VTK

HOU Huan，HAN Lei，LIN Zhongyu

(College of Information Science Engineering，Ocean University of China，Qingdao，266100，China)

Abstract:To study the radar image data′s three dimensional visualization，there are two types of rendering techniques:surface rendering and volume rendering.Surface rendering uses marching cubes algorithm，volume rendering uses composited ray-casting algorithm.It efficiently and easily displays the two-dimensional radar image，realizes three dimensional reconstruction of radar reflectivity，achieves arbitrary x，y，z three-dimensional cross-section of the radar echo intensity display，also it can arbitrary- orienting clip，rotate，zoom and translate the three dimensional image.Applying VTK in the three dimensional visualization of radar image comprehensively displays spatial distribution of the radar echo.

Keywords:VTK;visualization;volume rendering;radar image;ray-casting algorithm

冰雹等強(qiáng)對流天氣是我國的主要災(zāi)害性天氣之一，給人們的生產(chǎn)、生活帶來極大的不便與危害。使用我國的新一代多普勒天氣雷達(dá)三維圖像，對于冰雹等強(qiáng)對流天氣的識別和判斷就顯得尤為重要。然而，現(xiàn)階段對三維雷達(dá)數(shù)據(jù)體的解釋通常采用二維模式，具有一定的局限性。

計(jì)算機(jī)可視化技術(shù)在雷達(dá)圖像顯示中的研究應(yīng)用，為三維數(shù)據(jù)體解釋問題提供了必要的技術(shù)支持。VTK可視化方法實(shí)現(xiàn)簡單，適用于快速顯示數(shù)據(jù)空間信息[1]，可以用它來開發(fā)高效穩(wěn)定的雷達(dá)圖像可視化系統(tǒng)。

1 可視化工具VTK

VTK主要用于3D計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理及可視化的軟件系統(tǒng)[2]。它使用C++構(gòu)建內(nèi)核，采用面向?qū)ο蟮慕＜夹g(shù);基于OpenGL，但屏蔽了所有的OpenGL調(diào)用;具有設(shè)備無關(guān)性，可在Windows或Unix系統(tǒng)中運(yùn)行，可跨平臺使用;它是開放源代碼的，將可視化算法和繪制劃分開，封裝成一系列易于擴(kuò)展的類，既便于人們研究使用，又易于增加自己的繪制算法[3]。VTK支持幾何體的顯示渲染、許多圖形及可視化算法(矢量、標(biāo)量、張量)及高級的建模技術(shù)(快速建模、多邊形優(yōu)化、面繪制和體繪制[4])。

在VTK中，處理圖形和可視化有兩種模型:圖形模型和可視化模型。

1.1 圖形模型

整個圖形模型主要表現(xiàn)3D圖形系統(tǒng)的本質(zhì)特征，如圖1所示。圖形模型支持:3D幾何數(shù)據(jù)繪制;3D體數(shù)據(jù)繪制;2D幾何;文字;圖像繪制[5]。

圖1 VTK圖形學(xué)對象模型關(guān)系圖

1.2 可視化模型

VTK是基于數(shù)據(jù)流模型的系統(tǒng)，可視化模型由兩類基本的對象組成:數(shù)據(jù)對象和處理對象，數(shù)據(jù)對象代表了進(jìn)入可視化網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)集類型，包含體數(shù)據(jù)(vtkImageData)等五種類型。

處理對象按功能分為數(shù)據(jù)源(Source)、過濾器(Filter)和映射器(Mapper)三種。

數(shù)據(jù)源對象用于產(chǎn)生或接收數(shù)據(jù)集，是可視化流程的起點(diǎn)，它包括從文件中讀入及程序內(nèi)部產(chǎn)生的數(shù)據(jù)。過濾器用于對數(shù)據(jù)集進(jìn)行各種算法的處理，得到數(shù)據(jù)類型及輸出值。映射器指定了基本圖元與數(shù)據(jù)之間的接口，將數(shù)據(jù)集映射為可展示的基本圖元，是可視化網(wǎng)絡(luò)的終點(diǎn)。

2 三維雷達(dá)圖像可視化的實(shí)現(xiàn)

2.1 數(shù)據(jù)接口

VTK提供的文件讀寫功能，能夠讀寫多種格式的圖形、圖像文件，使它可以方便地與其他的應(yīng)用共享數(shù)據(jù)，但對于比較專業(yè)的數(shù)據(jù)格式?jīng)]有提供具體的支持。

體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)(如圖2所示)是由維數(shù)、距離和原點(diǎn)定義的，可以將每一小立方體視為體素或三維像素單元。根據(jù)實(shí)驗(yàn)所提供的格點(diǎn)數(shù)據(jù)格式說明以及編碼方式，將雷達(dá)數(shù)據(jù)的經(jīng)度、緯度、高度分別對應(yīng)x，y，z軸。

圖2 體數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

2.2 三維可視化

三維雷達(dá)圖像的可視化是指利用人類的視覺特性，通過計(jì)算機(jī)對二維斷層圖像序列形成的一維體數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，將其變換為具有直觀立體效果的圖像來展示雷達(dá)回波的分布狀況的三維形態(tài)。

VTK中，三維圖像的重構(gòu)方法分為面繪制技術(shù)和體繪制技術(shù)兩大類。

2.2.1 面繪制

在面繪制技術(shù)中，VTK類庫提供了類vtkImageMarchingCubes，該類采用了移動立方體算法MC(marchingcube)，用MC算法主要是提取三維等值面，遍歷所有立方體的頂點(diǎn)，將頂點(diǎn)的物理量與等值面值相比較，從而確定頂點(diǎn)與等值面的位置關(guān)系，通過線性插值得到等值面與Cube的交點(diǎn)，依次遍歷所有的Cube，從而得到給定閾值的等值面[6]。面繪制需要指定閾值，以確定場景中感興趣物體的表面，因此分割和繪制速度在這里是最重要的考慮因素[7]。

2.2.2 體繪制

體繪制技術(shù)的基本算法是對每條視線上每個像素強(qiáng)度計(jì)算加權(quán)和，將結(jié)果作為投影像素的灰度值[8]。

光線投射是一種典型的以圖像空間為序的直接體繪制算法，該方法考慮了數(shù)據(jù)場所有體素對圖像的貢獻(xiàn)，能夠產(chǎn)生較真實(shí)、較高質(zhì)量的圖像。利用VTK提供的光線投射法vtkVolumeRayCast Funtion類的子類來實(shí)現(xiàn)體繪制技術(shù)，光線投射法的子類分別封裝了合成法、最大密度法和表面輪廓法三種算法。實(shí)驗(yàn)選擇合成算法實(shí)現(xiàn)質(zhì)量最高的圖像顯示。

在體繪制的結(jié)果圖像中，需要顯示三維數(shù)據(jù)場的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因而需要生成具有透明效果的圖像[9]。根據(jù)體繪制成像原理，通過vtkVolumeProperty類來設(shè)置整個體數(shù)據(jù)場的重采樣方式、不透明度值和顏色值的映射方式。對每一個體元不僅要根據(jù)中國氣象局發(fā)布的雷達(dá)色標(biāo)圖賦予不同的顏色值(R，G，B)，而且還要賦予不透明度α。α=1表示該體元完全不透明;α=0則表示完全透明。若以256色級差顯示，更能提高偽彩色圖像顯示的連續(xù)性和精度。

2.2.3 兩種繪制技術(shù)的比較

面繪制依賴于分割的結(jié)果，而且不能表現(xiàn)復(fù)雜的內(nèi)部信息。而體繪制方法回避了圖像分割問題，并且可以得到數(shù)據(jù)整體顯示效果，表現(xiàn)更加豐富的機(jī)體內(nèi)部信息，得到雷達(dá)回波圖像逼真的立體顯示，更適合進(jìn)行雷達(dá)圖像可視化技術(shù)的研究。

圖3 旋轉(zhuǎn)后的三維體繪制顯示

3 應(yīng)用實(shí)例

基于VTK的雷達(dá)圖像可視化系統(tǒng)GUI界面如圖4~圖6所示。

該實(shí)驗(yàn)以天津新一代天氣雷達(dá)回波產(chǎn)品為例展示如下各種技術(shù)。使用鼠標(biāo)可以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、縮放、平移等操作，便于用戶根據(jù)需要從不同的視角觀察物體，增強(qiáng)了系統(tǒng)的交互能力[10]，旋轉(zhuǎn)后的三維體繪制雷達(dá)圖像如圖3所示;利用VOI(Volume of Interest)技術(shù)，提取的部分三維體數(shù)據(jù)放大后效果如圖4所示;采用vtkPlaneWidget技術(shù)實(shí)現(xiàn)的某一指定的經(jīng)度、緯度和高度層上的雷達(dá)強(qiáng)度回波值的顯示如圖5所示;另外三維重建技術(shù)輔以任意角度的切割可以很好的滿足任意角度的觀看，三維數(shù)據(jù)體的任意切割如圖6所示。

圖4 三維體重建

圖5 三維切面顯示

4 結(jié) 語

使用VTK技術(shù)研發(fā)出一套簡單的雷達(dá)圖像三維可視化系統(tǒng)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了三維體重建、三維任意切面顯示、任意分割、旋轉(zhuǎn)、放大等功能，龐大的類庫降低了系統(tǒng)開發(fā)難度，減少了開發(fā)時間，開發(fā)出來的可視化系統(tǒng)應(yīng)用價(jià)值高。該實(shí)驗(yàn)方法具有一定的后續(xù)研發(fā)參考價(jià)值，亦可應(yīng)用于其他研究領(lǐng)域，強(qiáng)大的三維可視化功能值得推廣。

圖6 任意切割顯示

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